Диффузионная сварка

Своеобразной в отношении своих физических особенностей разновидностью сварки давлением является диффузионная сварка. Она осуществляется посредством взаимной диффузии частиц контактирующих заготовок при несущественной пластической деформации и довольно продолжительном действии высоких температур. Роль такого взаимопроникновения в металлах при сварке не всегда однозначна.

Диффузия может как способствовать дополнительной прочности соединения, так и образовывать хрупкости в соединениях. В сварке этим способом соединение образуется благодаря совместному действию нагрева с давлением, а отличительной его особенностью является использование довольно высоких температур нагревания при небольшом удельном давлении. Обычно оно находится в пределах текучести соединяемых металлов.

Технология диффузионной сварки

Схема процесса диффузионной сварки металлов представляет собой следующую последовательность. Перед началом сварки соединяемые детали собираются с помощью особого приспособления, способствующего передаче давления в место их стыковки. Затем заготовки вакуумируют и подвергают нагреву до требуемой температуры с последующим приложением давления в течение определенного промежутка времени. Отдельные случаи требуют дополнительной выдержки изделия в температуре сварки после снятия с него давления. Это необходимо для полноты протекания процесса рекристаллизации, что способствует формированию более качественных соединений. Завершается сварочный цикл охлаждением сборной конструкции в зависимости от типа применяемого оборудования диффузионной сварки с помощью инертной среды, вакуума либо воздуха.

Образование сварного соединения этим способом сварки условно можно разделить на две стадии. В ходе первой из них создается физический контакт соединяемых элементов. При этом каждая точка свариваемого металла должна находиться от другой на расстоянии, позволяющем взаимодействие между атомами. Вторая стадия заключается в формировании структур образуемого соединения в ходе операций релаксации. К определяющим параметрам процесса диффузионной сварки в вакууме относят давление, длительность и температуру нагревания, рельеф соединяемых поверхностей и состояние среды, в которой осуществляется сварка.

Давление, подаваемое на контактирующие детали, с учетом видов свариваемых металлов и температуры, может изменяться в широком диапазоне. Осадка заготовок производится чаще всего при помощи систем пневматики. Температура обычно составляет чуть больше половины от температуры плавления, до 80% для сварки однородных металлов и в пределах 70% для разнородных и более легкоплавких материалов. Такой температурный режим способствует пластическому деформированию металлов с выравниванием поверхностей, а также ускорению взаимных диффузий частиц материалов в зоне их стыка.

Время действия температур измеряется в пределах от нескольких минут до нескольких десятков. Нагрев в установках диффузионной сварки осуществляется, как правило, индукционным током, а также возможен с помощью обычного сопротивления, электронного луча, электротока, пропускаемого через изделие, и прочих источников. Сварка производится в условиях безокислительного нагревания. С целью предупреждения возможного образования поверхностных пленок из оксидов в сварочном процессе применяют вакуумную защиту, а соединяемые поверхности перед сваркой тщательно зачищают.

Предварительная обработка заготовок под сварку также оказывает заметное влияние на ход диффузионного процесса. Это отражается в структурных изменениях их поверхностного слоя и ходе протекания физического контакта материалов. В ходе подготовки свариваемых деталей любым из способов (химическим, механическим, электролитическим и пр.) возможно формирование поверхностных пленок из оксидов. При этом не отмечается их негативного влияния на ход процесса благодаря самопроизвольному очищению заготовок от окислов, происходящему вследствие нагревания металла в вакууме с последующей выдержкой.

В случаях недостаточной интенсивности диффузионных процессов в соединяемых деталях с резко отличающимися коэффициентами линейного расширения материалов, а также при наличии возможности образования хрупкости в шве, эффективно использование между ними промежуточного слоя. Это может быть прокладка из фольги, порошковый подслой и др. Данный метод целесообразен при сварке как металлов и их сплавов, так и в отношении неметаллических материалов. Так, к примеру, сваривают кварцевые заготовки через прокладку из меди. Исходя из свойств свариваемых материалов и промежуточного слоя, определяют параметры такого процесса.

Применение диффузионной сварки

К преимуществам данного способа относят возможность диффузионной сварки разнородных материалов с получением равнопрочного шва без существенных изменений в физико-химических характеристиках, высокий уровень защиты и отсутствие необходимости в присадочном металле. Такая сварка позволяет создание прочных конструкций как из однородных металлов со сплавами, так материалов разного рода, в том числе резко отличающихся своими характеристиками. Это не растворимые друг в друге, тугоплавкие или малопластичные металлы и сплавы, соединение которых довольно затруднительно. А применение диффузионного способа позволяет получать сварные конструкции даже из таких пар металлов и сплавов, которые практически невозможно соединить с помощью других видов сварки. Примером этого может служить диффузионная сварка титана со сталью, стойкой к коррозии, молибдена с медью или ниобия с вольфрамом.

Практикой использования диффузионного процесса выработаны две его основные технологии, зависящие от способа приложения нагрузок. В первой из них применяется нагрузка постоянного характера с величиной, не превышающей предел текучести. Во второй технологии нагрузку в сочетании с пластической деформацией обеспечивает особое устройство. Скорость его перемещения в ходе сварки можно контролировать.